CN108441744B - 一种自润滑减摩耐磨合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自润滑减摩耐磨合金材料及其制备技术。本发明加入质量百分比含量为20~25%的铜粉，16~20%的钨铁粉，10~15%的硅粉，8~12%的高碳铬铁粉，5~10%的石墨，5~10%的镀铜二硫化钼，铁粉为余量，其制备过程如下：1）粉末配制；2）混合干燥；3）压制成型；4）放样抽气；5）熔炼合金；6）合金浇铸。本发明制备的合金摩擦系数小、自润滑性能和耐磨性能良好，该合金在减摩耐磨领域，如高速轧辊上具有良好的应用前景。

Description

一种自润滑减摩耐磨合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种自润滑减摩耐磨合金材料及其制备方法。

具体涉及一种自润滑减摩耐磨的合金材料，其成分为铜粉、铁粉、硅粉、钨铁粉、高碳铬铁粉、石墨、镀铜二硫化钼，其粉末按质量百分比加入20~25%的铜粉，16~20%的钨铁粉，10~15%的硅粉，8~12%的高碳铬铁粉，5~10%的石墨，5~10%的镀铜二硫化钼，铁粉为余量的自润滑减摩耐磨合金及其制备方法，属于自润滑减摩耐磨合金材料及其制备技术领域。

背景技术

全世界每年消耗的各类燃油总计约15 亿吨，但能源有效利用率只有30%左右。据估计，摩擦和磨损消耗了全世界消费能源的30%~40%。摩擦作为物体运动中的自然现象，是人类认识自然、改造自然的过程中所面临的老问题。通过改进润滑技术，能有效地减少摩擦磨损所带来的资源浪费，为全人类带来巨大的经济效益，尤其是在地球能源日益枯竭、全球气候变化引起人们广泛的忧虑的今天，节省资源更是有利于环境保护和资源合理利用。

液态润滑(润滑油、脂)是传统的润滑方式，也是应用最为广泛的一种润滑方式。但采用液体润滑存在：高温作用下添加剂难以与材料表面发生作用而形成接触充分的边界膜；随温度升高，润滑剂粘性呈指数下降，承载能力下降；高温环境下液态润滑(润滑油、脂)性能衰减等问题。因此，对于工况恶劣的场合，传统的液体润滑方法已难以满足要求。此外，液体润滑会增加成本，如切削加工中的切削液，德国、日本专家的研究表明：使用切削液的费用约占零件制造成本的16％。更为严重的是，使用液体润滑会造成环境污染。自润滑材料已成为润滑领域的一类新材料，成为目前摩擦学领域的重要研究热点。

固体自润滑材料是在不额外添加润滑油、润滑脂的情况下改善表面摩擦状态、减缓磨损的最有效的方法。固体自润滑材料一般分为金属基自润滑材料、非金属基自润滑材料和陶瓷自润滑材料。金属基固体自润滑复合材料作为固体润滑材料的一种，可以在高温、辐射和真空等苛刻环境中取代润滑油脂，并且相对于聚合物基和陶瓷基固体自润滑复合材料，金属基固体自润滑复合材料具有应用范围广和制备工艺相对简单等优势。

金属基固体润滑材料不仅具有基体金属的良好机械强度，而且具有固体润滑剂的优良特性，在工程领域获得了较为成功的应用。具有优良高温自润滑性能的固体润滑材料是动、热、力机械及高温传动设备摩擦部件的主要候选材料之一。目前针对镍铬合金基高温自润滑材料的研究较多，而对铜基、铁基及铜铁基自润滑耐磨材料的研究较少。因此，开发高温铁铜基自润滑减摩耐磨材料具有重要意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供自润滑减摩耐磨的合金材料及其制备方法。本发明制备的方法工艺简单易控制、生产成本低廉且制备效率高。采用本发明的制备方法制备的自润滑减摩耐磨合金材料具有优异力学性能，与现有技术相比，具有以下技术效果，其优化了对合金硬度要求较高和摩擦系数小且稳定不能兼得的难题，使其满足了现代工业对材料减摩、耐磨性能更高要求的同时，又使零件避免遭受变质油的严重污染以及满足了要求长期润滑等部位的正常运行需要。

本发明为解决上述技术问题而采取的技术方案是：一种自润滑减摩耐磨合金材料，其原料成分为铜粉、硅粉、钨铁粉、高碳铬铁粉、石墨粉、镀铜二硫化钼、铁粉，其中粉末按质量比加入量为20~25%的铜粉，16~20%的钨铁粉，10~15%的硅粉，8~12%的高碳铬铁粉，5~10%的石墨，5~10%的镀铜二硫化钼，铁粉为余量。

本发明为解决上述技术问题而采取的技术方案还包括：一种自润滑减摩耐磨合金材料的制备方法，其特征在于具体是按以下步骤完成：

1）粉末配制：所述合金原料按上述的质量百分比进行精确的称量；

2）混合干燥：将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合8~16h，加入粉末总质量分数1~4%的硬脂酸后，再在40~60℃普通干燥箱中干燥8~12h；

3）压制成型：将混合均匀的粉料在压力机下加压成型，得到生坯供熔炼制备合金使用；

4）放样抽气：使用真空非自耗电极电弧炉熔炼合金，首先将块状的样品放置在外围的熔炼槽内，并将纯钛粒放置在最中间的熔炼槽内，放置完毕之后关闭炉门，拧紧样品室四个封闭旋钮；再对样品室抽气处理，当真空度达到5×10^-3Pa后，充入纯度为99.99%氩气直到炉内压力达到半个大气压，并重复此步骤2~3次；重复抽真空的目的在于洗气，反复充放氩气使得熔炼炉中的空气尽量减到最小；真空抽完之后充放氩气直到炉内压力达到半个大气压方可开始进行熔炼；

5）熔炼合金：在熔炼样品之前先将熔炼池中的纯钛粒熔炼一遍，尽量将炉中残留的氧气消耗殆尽；熔炼过程中为了使原料更好地混合均匀，每次熔炼合金熔化后，电弧保持时间在90~120s，待合金块冷却后将其翻转，如此重复4次以上；

6）合金浇铸：熔炼完成之后，根据所需产品的尺寸形状，可将重复熔炼后的合金液浇铸在模具内，然后冷却获得所发明的合金材料。

本发明的原理及有益效果在于：本发明提供了一种自润滑减摩耐磨合金，所述自润滑减摩耐磨合金采用真空电弧熔炼炉制备，工艺简单可靠。该合金致密度高、组织均匀，保证了较大尺寸制品的密度均匀性。在高温熔炼过程中，镀铜二硫化钼会因其外表面的镀铜层的保护作用而避免发生过度分解，大部分二硫化钼保留在合金的基体中，与石墨润滑产生协同作用，使材料的摩擦因数降低，从而保证了本发明合金的减摩性能。在高速剧烈摩擦过程中，合金表面层的温升使得本发明合金能够及时自动形成多种氧化物共同组成的润滑膜而具有良好的润滑性能；通过调节原料配比中的石墨、钨铁、高碳铬铁和硅粉的含量，起到固溶强化和弥散强化的作用。上述的有益作用保障了材料的强度和硬度，且使合金在高温下具备优异的力学性能和较高的耐磨性能，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的制备方式及工艺性能，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容全面地了解本发明的优点及作用：

1、自润滑减摩耐磨合金成分设计

本实施方式是一种自润滑减摩耐磨合金的原料成分为铜粉、硅粉、钨铁粉、高碳铬铁粉、石墨，镀铜二硫化钼、铁粉，其原料粉末质量百分比为20~25%的铜粉，16~20%的钨铁粉，10~15%的硅粉，8~12%的高碳铬铁粉，5~10%的石墨，5~10%的镀铜二硫化钼，铁粉为余量；

2、自润滑减摩耐磨合金的制备

自润滑减摩耐磨合金的制备是最关键的一个步骤，制备过程如下：

1）原料准备：本发明采用的合金冶炼原料为铜粉、硅粉、钨铁粉、高碳铬铁粉、石墨、镀铜二硫化钼和铁粉，所用的原材料均为粉末状材料；

2）粉末配制：所述合金原料按上述的质量百分比进行精确的称量；

3）混合干燥：将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合8~16h后，加入粉末总质量分数1~4%的硬脂酸，再在40~60℃普通干燥箱中干燥8~12h；

4）压制成型：将混合均匀的粉料在压力机下加压成型，得到生坯供熔炼制备合金使用；

5）熔炼合金：①使用真空非自耗电极电弧炉熔炼合金，首先将块状的样品放置在外围四个熔炼槽内，并将纯钛粒放置在最中间的熔炼槽内，放置完毕之后关闭炉门，拧紧样品室四个封闭旋钮；②对样品室抽真空，当真空度达到5×10^-3Pa后，充入纯度为99.99%氩气直到炉内压力达到半个大气压，并重复此步骤2~3次；重复抽真空的目的在于洗气，反复充放氩气使得熔炼炉中的空气尽量减到最小；③真空抽完之后充放氩气直到炉内压力达到半个大气压，此时便可开始进行熔炼；在熔炼样品之前先将熔炼池中的纯钛粒熔炼一遍，尽量将炉中残留的氧气消耗殆尽；④熔炼过程中为了使原料更好地混合均匀，每次熔炼合金熔化后，电弧保持时间在90~120s，待合金块冷却后将其翻转，如此重复4次以上；

6）合金浇铸：熔炼完成之后，根据所需产品的尺寸形状，可将重复熔炼后的合金液浇铸在模具内，然后随炉冷却获得所发明的合金材料；

3、自润滑减摩耐磨合金的组织及硬度

1）组织分析

利用线切割将获得的铸锭切割成5mm×5mm×4mm尺寸的方形样品，再依次将样品依次使用800＃、1200＃、1500＃和2000＃的金相砂纸仔细研磨，再使用抛光机进行抛光。X射线衍射物相分析在日本理学Rigaku D/Max 2500 X射线衍射仪上进行。设备技术规格：使用Cu作为辐射源，石墨单色器，操作电压40kV、电流250mA，自转靶。扫描速率8°/min，选择衍射角范围为2θ=5-90°。利用MDI-Jade 6.0软件分析实验数据，用扫描电子显微镜观察试样组织形貌。其主要由固溶体、碳化钨、碳化铬、石墨和二硫化钼组成；

2）硬度测定

利用线切割将获得的铸锭切割成5mm×5mm×4mm尺寸的方形样品，再依次将样品依次使用800＃、1200＃、1500＃和2000＃的金相砂纸仔细研磨，再使用抛光机进行抛光。采用HR-150A型硬度计测试试样的硬度，选取试样7个不同位置测量其硬度，去掉最高硬度值和最低硬度值，取其余硬度值的平均数值作为试样的硬度值，最终得到该合金的洛氏硬度值为48HRC。

Claims (3)

1.一种自润滑减摩耐磨合金材料，其特征在于，所述合金原料组成的质量百分比为20～25％的铜粉，16～20％的钨铁粉，10～15％的硅粉，8～12％的高碳铬铁粉，5～10％的石墨，5～10％的镀铜二硫化钼，铁粉为余量。

2.根据权利要求1所述的一种自润滑减摩耐磨合金材料的制备方法，其特征在于，具体是按以下步骤完成的：

1)粉末配制：所述合金原料按一定的质量百分比进行精确的称量；

2)混合干燥：将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合8～16h后，加入硬脂酸，再在40～60℃普通干燥箱中干燥8～12h；

3)压制成型：将混合均匀的粉料在压力机下加压成型，得到生坯供熔炼制备合金使用；

4)放样抽气：使用真空非自耗电极电弧炉熔炼合金，首先将块状的样品放置在外围的熔炼槽内，并将纯钛粒放置在最中间的熔炼槽内，放置完毕之后关闭炉门，拧紧样品室四个封闭旋钮；再对样品室抽气处理，当真空度达到5×10^-3Pa后，充入纯度为99.99％氩气直到炉内压力达到半个大气压，并重复此步骤2～3次；重复抽真空的目的在于洗气，反复充放氩气使得熔炼炉中的空气尽量减到最小；真空抽完之后充放氩气直到炉内压力达到半个大气压方可开始进行熔炼；

5)熔炼合金：在熔炼样品之前先将熔炼池中的纯钛粒熔炼一遍，尽量将炉中残留的氧气消耗殆尽；熔炼过程中为了使原料更好地混合均匀，每次熔炼合金熔化后，电弧保持时间在90～120s，待合金块冷却后将其翻转，如此重复4次以上；

6)合金浇铸：熔炼完成之后，根据所需产品的尺寸形状，可将重复熔炼后的合金液浇铸在模具内，然后冷却获得所发明的合金材料。

3.根据权利要求2所述的自润滑减摩耐磨合金材料的制备方法，其特征在于步骤2)中所述硬脂酸的加入量为粉末总质量分数的1～4％。